前　言Computer Science Illuminated, Fifth Edition
　　論題選擇為了制定這本CS0教材的論題大綱，我們利用了許多資源，包括課程目錄、教材大綱以及一個(gè)電子郵件調(diào)查問卷。設(shè)計(jì)這個(gè)調(diào)查問卷的目的在于了解我們的同事對(duì)這門課應(yīng)該包括哪些內(nèi)容的想法。我要求大家（包括自己）列出下列三種清單：
　　如果CS0這門課是學(xué)生在大學(xué)階段學(xué)習(xí)的唯一一門計(jì)算機(jī)科學(xué)的課程，請(qǐng)列出四種你認(rèn)為他們應(yīng)該掌握的論題。
　　請(qǐng)列出四種你想要學(xué)生在進(jìn)入CS1這門課之前掌握的論題。
　　請(qǐng)補(bǔ)充四種你想要學(xué)習(xí)CS1的學(xué)生熟悉的論題。
　　這些資源的交集反映出的大多數(shù)人的意見，也就構(gòu)成了本書的大綱。在學(xué)習(xí)CS1之前掌握了本書內(nèi)容的學(xué)生將為繼續(xù)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管我們的意圖是編寫一本CS0教材，但是許多評(píng)論家都認(rèn)為本書的覆蓋面非常廣泛，可以作為一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論的參考書。
　　結(jié)構(gòu)說明在第1章中，我們介紹了硬件和軟件的歷史，并且用洋蔥的結(jié)構(gòu)來類比計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)和它的機(jī)器語(yǔ)言構(gòu)成了洋蔥的芯，軟件層和更復(fù)雜的硬件一層層地裹住了這個(gè)芯。首先介紹的是機(jī)器語(yǔ)言，然后是高級(jí)語(yǔ)言，包括FORTRAN、Lisp、Pascal、C、C++和Java。在介紹這些語(yǔ)言的同時(shí)，還介紹了利用它們進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的過程，包括自頂向下的設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)。我們對(duì)抽象數(shù)據(jù)類型所扮演的角色及其實(shí)現(xiàn)的理解已經(jīng)成熟了。操作系統(tǒng)及其資源管理技術(shù)（包括更大、更快的二級(jí)存儲(chǔ)介質(zhì)上的文件）包圍著這些程序，并對(duì)它們進(jìn)行管理。
　　接下來的一層由更復(fù)雜的通用或?qū)Ｓ密浖�系統(tǒng)構(gòu)成，它們覆蓋了操作系統(tǒng)。這些功能強(qiáng)大的程序由計(jì)算機(jī)科學(xué)中的并行理論支持。最后一層由網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)軟件構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)軟件包括計(jì)算機(jī)之間通信必需的所有工具。Internet和萬(wàn)維網(wǎng)給這一層畫上了最后一筆。
　　當(dāng)這些層隨著時(shí)間的推移逐漸出現(xiàn)時(shí)，用戶對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件接觸得越來越少。每個(gè)層都是它下面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抽象。隨著每個(gè)層的發(fā)展，新層的用戶和內(nèi)部層的用戶聯(lián)合起來，在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的高科技部門創(chuàng)造了大量的生產(chǎn)力。本書的目的是提供各個(gè)層的概述，介紹基本的硬件和軟件技術(shù)，使學(xué)生了解和欣賞計(jì)算系統(tǒng)的方方面面。
　　在介紹這種洋蔥式結(jié)構(gòu)時(shí)，我們有兩種選擇，一種是從內(nèi)向外逐層介紹，另一種是從外向內(nèi)進(jìn)行介紹。從外向內(nèi)的方法看起來非常吸引人。我們可以從最抽象的層開始介紹，一次剝掉一個(gè)層，直到具體的機(jī)器層為止。但是，研究表明，比起抽象的例子，學(xué)生們更容易理解具體的例子，即使他們本身是抽象思想家。因此，我們選擇從具體的機(jī)器層開始，按照層的創(chuàng)建順序進(jìn)行分析，當(dāng)學(xué)生完全理解了一個(gè)層之后，再轉(zhuǎn)移到下一個(gè)層就比較容易。
　　第5版中的變化在計(jì)劃這次改版時(shí)，我們咨詢了CS教育學(xué)院的同事，要求他們給予一些反饋。37人回復(fù)了我們，非常感謝這些有思考、有見解的回應(yīng)。
　　第15章中添加了“云計(jì)算”一節(jié)，并更新了域名部分。第16章中加入了HTML5。此外，專門用一章（第17章）討論計(jì)算機(jī)安全。老版的第17章是現(xiàn)在的第18章。目前，大多數(shù)的安全問題集中在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代信息的安全使用上，因此把第17章放在通信層的最后一章。
　　除了新的章節(jié)，現(xiàn)在每章結(jié)尾部分的道德問題有了更為一致的主題，從道德責(zé)任的定義和一個(gè)專業(yè)計(jì)算機(jī)人士的道德責(zé)任開始，展示了兩個(gè)主要的計(jì)算協(xié)會(huì)ACM和IEEE的道德準(zhǔn)則，也給出了選擇計(jì)算機(jī)專業(yè)可能面臨的案例研究。這些材料在計(jì)算機(jī)課程中稱為the Tenth Strand，其中對(duì)涉及計(jì)算的主要社會(huì)問題進(jìn)行了討論，包括政治、版權(quán)、工作場(chǎng)所監(jiān)視和游戲成癮方面。
　　當(dāng)然，我們對(duì)整書進(jìn)行了全面調(diào)整，對(duì)“你知道嗎”板塊和傳記部分也進(jìn)行了更新。
　　摘要第1章是我們探索計(jì)算機(jī)科學(xué)（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“洋蔥”）的基礎(chǔ)，描述了本書的組織結(jié)構(gòu)。第2章和第3章則分析了包含在物理硬件中的層。這個(gè)層稱為信息層，它反映了如何在計(jì)算機(jī)上表示信息。第2章介紹了二進(jìn)制數(shù)制以及它與其他數(shù)制（如人們?nèi)粘Ｓ玫氖�進(jìn)制系統(tǒng)）的關(guān)系。第3章研究了如何獲取多種類型（如數(shù)字、文本、圖像、音頻和視頻）的信息以及如何用二進(jìn)制格式表示它們。
　　第4章和第5章介紹了硬件層。計(jì)算機(jī)硬件包括的設(shè)備有晶體管、門和電路，它們都按照基本原理控制電流。正是這些核心電路使專用的元件（如計(jì)算機(jī)的中央處理器——CPU）得以運(yùn)轉(zhuǎn)。第4章介紹了門和電路。第5章介紹了計(jì)算機(jī)的元件，以及在馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)中這些元件是如何交互的。當(dāng)然，第5章開頭的廣告已經(jīng)更新了，在你閱讀本書時(shí)，它可能又過時(shí)了。
　　第6～9章介紹了程序設(shè)計(jì)層。第6章使用模擬計(jì)算機(jī)Pep/8介紹了機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的概念。該章引入了用偽代碼編寫算法的功能，介紹了循環(huán)與選擇的概念，并在Pep/8中以偽代碼的方式實(shí)現(xiàn)。
　　第7章分析了問題求解過程，同時(shí)涉及人類和計(jì)算機(jī)的問題求解方法。引導(dǎo)這個(gè)論題的是George Polya的人類問題求解策略。該章介紹了自頂向下的方法來設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單算法，并在討論算法時(shí)選擇經(jīng)典的搜索和排序算法。因?yàn)樗惴ㄊ菍?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，所以在此研究數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，以便更有效地處理數(shù)據(jù)。該章也介紹了子算法（子程序）語(yǔ)句。
　　第8章介紹了抽象數(shù)據(jù)類型或容器，容器是只知道其屬性或行為的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該章介紹了列表、有序列表、棧、隊(duì)列、二叉檢索樹和圖，擴(kuò)展討論了子算法，包括引用參數(shù)與值參、參數(shù)傳遞。
　　第9章介紹了高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的概念。許多杰出的高級(jí)語(yǔ)言包含與面向?qū)ο缶幊滔嚓P(guān)的功能，我們先繞過這個(gè)設(shè)計(jì)過程，討論語(yǔ)言范型以及編譯過程。我們用四種編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一些小例子來說明偽代碼的概念，即Python、VB.NET、Java和C++。
　　第10章和第11章介紹了操作系統(tǒng)層。第10章討論了操作系統(tǒng)的資源管理任務(wù)，介紹了一些用于實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)的基本算法。第11章介紹了文件系統(tǒng)，包括什么是文件系統(tǒng)，以及操作系統(tǒng)如何管理它們。
　　第12～14章介紹了應(yīng)用程序?qū)�。這一層由人們用來解決問題的通用應(yīng)用程序和專用應(yīng)用程序構(gòu)成。我們根據(jù)這些程序的基礎(chǔ)，把這一層分到了計(jì)算機(jī)科學(xué)的幾個(gè)子學(xué)科中。第12章分析了信息系統(tǒng)，第13章分析了人工智能，第14章分析了模擬、圖形學(xué)、游戲和其他應(yīng)用。
　　第15～17章介紹了通信層。第15章說明了計(jì)算機(jī)之間通信的理論和應(yīng)用。第16章介紹了萬(wàn)維網(wǎng)和它對(duì)當(dāng)今生活的影響，包括修訂的社交媒體部分。全新的第17章討論計(jì)算機(jī)安全，涵蓋了當(dāng)今信息時(shí)代與保護(hù)信息安全相關(guān)的各個(gè)方面。
　　第2～17章都是說明計(jì)算機(jī)可以做什么以及它是如何做的。第18章進(jìn)行了總結(jié)，討論了計(jì)算機(jī)硬件和軟件的固有局限性，以及計(jì)算機(jī)能夠解決和不能解決的問題。在討論算法的有效性時(shí)，采用了大O符號(hào)，以便討論算法的分類。此外還介紹了停機(jī)問題，以說明某些不能解決的問題。
　　本書的第1章和最后一章就像一對(duì)書檔，第1章說明了計(jì)算系統(tǒng)是什么，第18章告誡我們計(jì)算系統(tǒng)不能做什么。它們之間的章節(jié)則深入探討了構(gòu)成計(jì)算系統(tǒng)的各個(gè)層。
　　特性本書具有三種特性，用于強(qiáng)調(diào)計(jì)算的歷史、廣度以及新技術(shù)帶來的道德義務(wù)。首先，每一章都有一個(gè)簡(jiǎn)短的名人傳記，介紹對(duì)計(jì)算做出杰出貢獻(xiàn)的人。這些人包括對(duì)數(shù)據(jù)層做出貢獻(xiàn)的George Boole和Ada Lovelace，以及對(duì)通信層做出貢獻(xiàn)的Doug Engelbart和Tim Berners-Lee。這些傳記的目的是讓學(xué)生了解計(jì)算界的歷史以及那些對(duì)計(jì)算界做過貢獻(xiàn)和正在做貢獻(xiàn)的人。
　　我們稱第二個(gè)特性為“你知道嗎”，因?yàn)闆]有更好的詞可以表達(dá)它。這部分顯示在方框中，是過去、現(xiàn)在和未來的一些軼聞趣事，它們來自歷史記錄、當(dāng)今的報(bào)紙和作者的見聞。這些小插曲的目的是使學(xué)生開心、鼓舞他們、激發(fā)他們的興趣，當(dāng)然也為了教育他們。
　　第三個(gè)特性是每章中的“道德問題”小節(jié)。這些小節(jié)的目的是說明在利用計(jì)算的好處時(shí)要承擔(dān)的義務(wù)。隱私權(quán)、黑客、病毒和言論自由都屬于我們的論題。在每章練習(xí)的結(jié)尾處有一個(gè)思考題部分，涉及這些道德問題和這一章的內(nèi)容。
　　致謝對(duì)于這一版來說，讀者是最有用的信息和建議來源。衷心感謝受調(diào)查者花時(shí)間填寫了我們的網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷。還要感謝前幾版的審校者，以及這一版的審校者，他們是：
　　Tim Bower，堪薩斯州立大學(xué)；Mikhail Brikman，塞勒姆州立學(xué)院；Jacques Carette，麥克馬斯特大學(xué)；Howard Francis，派克維爾學(xué)院；Jim Jones，格雷斯蘭大學(xué)；Murray Levy，西洛杉磯學(xué)院；Lew Lowther，約克大學(xué)；Jeffrey McConnell，凱尼休斯學(xué)院；Richard Schlesinger，肯尼索州立大學(xué)；Richard Spinello，波士頓學(xué)院；Herman Tavani，里韋學(xué)院；Amy Woszczynski，肯尼索州立大學(xué)；C. Michael Allen，北卡羅來納大學(xué)夏洛特分校；Lofton Bullard，佛羅里達(dá)亞特蘭大大學(xué)；Cerian Jones，阿爾伯塔大學(xué)；Calvin Ribbens，弗吉尼亞理工大學(xué)； Susan Sells，威奇托州立大學(xué)；R. Mark Meyer，凱尼休斯學(xué)院；Tom Wiggen，北達(dá)科他大學(xué)； Mary Dee Harris，Chris Edmonson-Yurkanan，Ben Kuipers， Glenn Downin，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校；Dave Stauffer，賓夕法尼亞大學(xué); John McCormick，北艾奧瓦大學(xué)；Dan Joyce，維拉諾瓦大學(xué)；Mike Goldwasser，圣路易斯大學(xué)；Andrew Harrington，洛約拉大學(xué)芝加哥分校；Daniel R. Collins，馬薩諸塞州灣社區(qū)學(xué)院；J. Stanley Warford，佩珀代因大學(xué)；Richard C. Detmer，中田納西州立大學(xué)；Chip Weems，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校；Heather Chandler，西木學(xué)院；Mark Holthouse, 西木高等學(xué)校；Robert Vermilyer，國(guó)托馬斯阿奎那斯學(xué)院。
　　特別感謝凱尼休斯學(xué)院的Jeffrey McConnell，他編寫了第14章中的圖形學(xué)部分；感謝里韋學(xué)院的Herman Tavani，他參與了修改“道德問題”的工作；感謝波士頓學(xué)院的Richard Spinello，他撰寫了博客的道德問題一文。
　　感謝審稿人與同事對(duì)第5版的內(nèi)容給出了意見與建議，他們是：
　　Bob Blucher，雷恩社區(qū)學(xué)院；Dale Fletter，福爾瑟姆湖學(xué)院；Jerry Westfall博士，利伯蒂大學(xué)；Dwayne Towell，艾伯林基督大學(xué)；Kara Nance，阿拉斯加大學(xué)；Lisa Michaud，梅里馬克學(xué)院；Jeffery Bergamini，門多西諾學(xué)院；Johanna Horowitz，西耶那學(xué)院；Lonnie R. Nelson，漢尼拔拉格朗日學(xué)院；Marie Hartlein，蒙哥馬利縣社區(qū)學(xué)院；Mark Holthouse，西木高等學(xué)校；Mikhail S. Brikman博士，塞勒姆州立大學(xué)；Patricia Roth Pierce，南理工州立大學(xué)；Quentin J. White，SR，帕洛馬學(xué)院；Rakesh Arya，馬里蘭大學(xué)東海岸分校；Tim Bower，堪薩斯州立大學(xué)；William Honig，洛約拉大學(xué)芝加哥分校；Barbara Zimmerman，維拉諾瓦大學(xué)；Maria Jump博士，國(guó)王學(xué)院；Joe Pistone，巴洛瑪社區(qū)學(xué)院；Derek Merck，佐治亞佩雷米特學(xué)院。
　　還要感謝Jones&Bartlett Learning的許多人，尤其是Tim Anderson（資深編輯）、Amy Bloom（主編）、Amy Rose（出版總監(jiān)）。
　　我還必須感謝我的網(wǎng)球朋友使我有一個(gè)健康的體魄，感謝我的橋牌朋友使我的頭腦十分機(jī)敏，感謝我的家人做我的堅(jiān)強(qiáng)后盾。